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REDISEÑO DE UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA DOMÉSTICO USANDO

UN CALENTADOR DE PASO A GAS.

ANDRÉS CAMILO RODRÍGUEZ RENDÓN

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

PEREIRA, RISARALDA

2016

REDISEÑO DE UN SISTEMA DE CALENTAMIENTO DE AGUA DOMÉSTICO USANDO

UN CALENTADOR DE PASO A GAS.

ANDRÉS CAMILO RODRÍGUEZ RENDÓN

TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO MECANICO.

INGENIERO OSCAR JULIÁN SABOGAL FORERO

DIRECTOR

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA PEREIRA, RISARALDA

2016

CONTENIDO

Pág.

1. INTRODUCCIÓN ...........................................................................................................1

2. OBJETIVOS ....................................................................................................................2

2.1. OBJETIVO GENERAL .................................................................................................... 2

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................ 2

3. MARCO TEÓRICO.........................................................................................................3

3.1. GENERALIDADES .......................................................................................................... 3

3.2. TRANSFERENCIA DE CALOR [2] ................................................................................ 3

3.3. SISTEMA DE CONTROL ................................................................................................ 5

3.4. FÓRMULAS FUNDAMENTALES A UTILIZAR .......................................................... 7

4. ANÁLISIS DEL SISTEMA CONVENCIONAL Y REDISEÑADO. ..........................11

4.1. ANÁLISIS DEL SISTEMA CONVENCIONAL ........................................................... 11

4.2. ANÁLISIS DEL SISTEMA REDISEÑADO ................................................................. 17

4.2.1. Consideraciones [4] .................................................................................................. 17

4.2.2. Calentador de agua ................................................................................................... 20

4.3. .............................................................................................................................................. 21

4.3.1. Tubería ..................................................................................................................... 22

4.3.2. Cámara de mezcla .................................................................................................... 29

5. DISEÑO DEL SISTEMA ..............................................................................................33

5.1. SENSORES DE TEMPERATURA ................................................................................ 35

5.2. INTERFAZ USUARIO-SISTEMA................................................................................. 36

5.3. VÁLVULA ...................................................................................................................... 37

5.4. MOTOR........................................................................................................................... 40

5.5. ACOPLADOR SERVOMOTOR-VÁLVULA TERMOESTÁTICA ............................. 41

5.6. SEGURIDAD .................................................................................................................. 42

5.7. CONTROL DEL SISTEMA ........................................................................................... 43

5.7.1. Diagrama Grafcet del sistema .................................................................................. 44

5.7.2. Controlador............................................................................................................... 46

6. CONCLUSIONES .........................................................................................................48

7. RECOMENDACIONES ................................................................................................49

8. BIBLIOGRAFÍA ...........................................................................................................50

9. ANEXOS .......................................................................................................................51

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Registro de valores obtenidos en las pruebas de un calentador convencional. ............... 14

Tabla 2. Resultados de los cálculos obtenidos de las .................................................................... 16

Tabla 3. Familia TRP de proteínas implicadas en transducción térmica.[4]................................. 19

Tabla 4. Ficha técnica calentador Haceb – CAL AS CPG-10TF GN DISP BL [7]...................... 21

Tabla 5. Características Físicas CPVC Durman [8] ...................................................................... 22

Tabla 6. Dimensiones en sistema métrico Tubería CPVC Durman [8] ........................................ 22

Tabla 7. Propiedades Químicas y Físicas CPVC Durman ............................................................ 23

Tabla 8. Variables para el cálculo de pérdida de calor de la tubería CPVC ................................. 25

Tabla 9. Correspondencia en grados del giro del mando .............................................................. 39

Tabla 10. Grados de protección IP ................................................................................................ 42

Tabla 11. Elementos del sistema Diagrama Grafcet ..................................................................... 44

LISTA DE FIGURAS

Pág

Figura 1. Conducción, convección y radiación. [2] ........................................................................ 4

Figura 2. Sistema de control de temperatura de un horno eléctrico. [3] ......................................... 7

Figura 3. Esquema del Sistema Rediseñado ................................................................................. 17

Figura 4. Dependencia de la temperatura de las frecuencias de disparo en diferentes aferencias

termosensibles. [4] ......................................................................................................................... 19

Figura 5. Esquema Pérdida de calor a través de la tubería de CPVC ........................................... 27

Figura 6. Esquema Cámara de mezcla; Accesorio YEE en CPVC ............................................... 29

Figura 7. Esquema del diseño del sistema .................................................................................... 34

Figura 8. sonda de temperatura 80PR-60 RTD ............................................................................. 35

Figura 9. Interfaz Usuario - Sistema ............................................................................................. 36

Figura 10. Partes de una válvula termostática. .............................................................................. 37

Figura 11. Válvula mezcladora termostática T975 – ½” B marca WATTS ................................. 39

Figura 12. Servomotor Futaba S3150 Slim Digital Servo ............................................................ 40

Figura 13. Acoplador .................................................................................................................... 41

Figura 14. Planos Acoplador......................................................................................................... 41

Figura 15. Diagrama Grafcet del Sistema ..................................................................................... 44

Figura 16. Arduino Due R3........................................................................................................... 46

RESUMEN

Este trabajo parte del concepto clásico de los calentadores de agua de paso a gas, del cual se

identificaron dos falencias principales, las cuales son:

La pérdidas de calor que ocurren a través de todo el recorrido desde el calentador hasta el

punto donde se requiere el agua caliente, las cuales vienen acompañas de un tiempo de

espera el cual se divide en dos:

- Tiempo de obtención: tiempo que se demora en equilibrarse la temperatura a

través de todo el trayecto, para que al final de éste, el usuario obtenga el agua a la

misma temperatura de la salida del calentador.

- Tiempo de graduación: tiempo que tarda el usuario en graduar la temperatura

mediante ensayo y error;

Proporcional a este tiempo de espera ocurre un desperdicio de agua.

La incomodidad a la hora de la obtención del agua de consumo a la temperatura ideal para

el usuario, ya que se debe esperar un tiempo considerable y éste no obtiene directamente

el agua a la temperatura que desea, sino que debe ponerse en la tarea de graduar

manualmente los caudales de agua caliente y fría hasta obtener la temperatura deseada.

Estando identificadas estas falencias, se procedió a realizar el rediseño apoyándose en el

principio termodinámico y de transferencia de calor que se presenta en los calentadores de agua

de paso a gas y por medio de Instrumentación y control se realizaron mejoras, las cuales

corrigieron o en su defecto disminuyeron las falencias identificadas.

1

1. INTRODUCCIÓN

El siguiente trabajo de grado tiene como objetivo realizar el rediseño un sistema de

calentamiento de agua doméstico usando un calentador de paso a gas, en el cual se cuenta

con una selección directa de la temperatura requerida por el usuario, anulando el método

tradicional de ensayo y error, en donde era necesario ponerse en la tarea de graduar

manualmente los flujos de agua caliente proveniente del calentador y agua fría procedente

de la red del acueducto, hasta llegar a la temperatura deseada o a una con la cual

conformarse.

Este nuevo diseño consta de un calentador tradicional de agua de paso a gas que se encarga

de mantener un flujo de agua a una temperatura constante de (por establecer), el cual llega a

una cámara donde se mezcla con el agua fría, allí se regula la mezcla agua fría/caliente

hasta obtener la temperatura seleccionada, después de logrado esto, sale de la cámara de

mezcla y el usuario obtiene un agua de consumo a la temperatura deseada. Dependiendo del

recorrido que deba realizarse desde la cámara de mezcla hasta el lugar de obtención, se

determinan las perdidas térmicas en función de la distancia y se establece el delta de

temperatura que se manejara entre estos dos puntos.

Todo este rediseño trae consigo una obtención de agua a caliente a temperatura precisa

deseada por el usuario. Acompañado de esto, viene una disminución en los tiempos de

espera, dando como resultado un bajo desperdicio de agua.

2

2. OBJETIVOS

2.1. OBJETIVO GENERAL

Rediseñar un sistema de calentamiento de agua doméstico usando un

calentador de paso a gas en el cual la selección de temperatura del agua de

consumo sea directa y que reduzca tanto el tiempo de obtención del agua

caliente, como el desperdicio de agua.

2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Diseñar un sistema de control que reduzca el tiempo de espera para la

obtención del agua caliente a la temperatura deseada por el usuario, de

manera estable.

Seleccionar una interfaz hombre máquina que complemente el sistema de

control logrando una programación sencilla de la temperatura por parte del

usuario.

3

3. MARCO TEÓRICO

3.1. GENERALIDADES

Los principales fenómenos que intervienen en el proyecto son los siguientes:

Transferencia de calor.

Termodinámicos.

Instrumentación y control.

Teniendo mayor importancia la Transferencia de calor y la instrumentación y control,

debido a que a pesar de ser un fenómeno termodinámico, se tienen en consideración las

propiedades del agua, pero al no haber cambio de fase (el agua siempre permanecerá en

estado líquido), las propiedades termodinámicas afectarán el proceso pero, se utilizará

principalmente la transferencia de calor por convección, y en un segundo plano la

conducción y radiación.

De la mano de la transferencia de calor se tiene la instrumentación y control, la cual se

encarga de manejar todo el fenómeno de la transferencia de calor.

3.2. TRANSFERENCIA DE CALOR [2]

Siempre que exista una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos, debe

ocurrir una transferencia de calor:

Según se muestra en la figura 1, nos referimos a los diferentes tipos de procesos de

transferencia de calor como modos. Cuando existe un gradiente de temperatura en un

medio estacionario – que puede ser un sólido o un fluido- utilizamos el término

conducción para referirnos a la transferencia de calor que se producirá a través del

medio. En cambio, el término convección se refiere a la transferencia de calor que

ocurrirá entre una superficie y un fluido en movimiento cuando están a diferentes

temperaturas. El tercer modo de transferencia de calor se denomina radiación térmica.

Todas las superficies con temperatura finita emiten energía en forma de ondas

electromagnéticas. Por tanto, en ausencia de un medio, existe una transferencia neta de

calor por radiación entre dos superficies a diferentes temperaturas.

4

Conducción

A la mención de la palabra conducción debemos evocar de inmediato conceptos de

actividad atómica y molecular, pues hay procesos en estos niveles que sustentan este

modo de transferencia de calor. La conducción se considera como la transferencia de

energía de las partículas más energéticas de una sustancia debido a las interacciones

entre las mismas.

Convección

El modo de transferencia de calor por convección se compone de dos mecanismos.

Además de la transferencia de energía debida al movimiento molecular aleatorio

(difusión), la energía también se transfiere mediante movimiento global, o

macroscópico del fluido. El movimiento del fluido se asocia con el hecho de que, en

cualquier instante, grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva o como

agregados. Tal movimiento, en presencia de un gradiente de temperatura, contribuye a

la transferencia de calor. Como las moléculas en el agregado mantienen su movimiento

aleatorio, la transferencia total de calor se debe entonces a una superposición de

transporte de energía por el movimiento aleatorio de las moléculas y por el movimiento

global del fluido. Se acostumbra utilizar el término convección cuando se hace

referencia a este transporte acumulado y el término advección cuando se habla del

transporte debido al movimiento volumétrico del fluido.

Figura 1. Conducción, convección y radiación. [2]

5

Radiación

La radiación térmica es la energía emitida por la materia que se encuentra en una

temperatura finita. Aunque centraremos nuestra atención en la radiación de superficies

sólidas, esta radiación también puede provenir de líquidos y gases. Sin importar la

forma de la materia, la radiación se puede atribuir a cambios en las configuraciones

electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos. La energía del campo de radiación

es transportada por ondas electromagnéticas (o alternativamente, fotones). Mientras que

la transferencia de energía por conducción o por convección requiere la presencia de un

medio material, la radiación no lo precisa. De hecho, la transferencia de radiación

ocurre de manera más eficiente en el vacío.

3.3. SISTEMA DE CONTROL [3]

Definición de términos básicos.

Variable controlada: es la cantidad o condición que se mide y controla.

Variable manipulada: es la cantidad o condición que el controlador modifica para

afectar el valor de la variable controlada.

La variable controlada es la salida (el resultado) del sistema.

Controlar: significa medir el valor de la variable controlada del sistema y aplicar la

variable manipulada al sistema para corregir o limitar una desviación del valor medido

a partir de un valor deseado.

Planta: una planta puede ser parte de un equipo, tal vez un conjunto de las partes de

una máquina que funcionan juntas, el propósito de la cual es ejecutar una operación

particular. Es cualquier objeto físico que se va a controlar (tal como un dispositivo

mecánico, un horno de calefacción, un reactor químico o una nave espacial).

6

Proceso: es cualquier operación que se va a controlar.

Sistema: es una combinación de componentes que actúan juntos y realizan un objetivo

determinado, un sistema no necesariamente es físico. El concepto de sistema se aplica a

fenómenos abstractos y dinámicos, tales como los que se encuentran en la economía.

Por tanto, la palabra sistema debe interpretarse como una implicación de sistemas

físicos, biológicos, económicos y similares.

Perturbaciones: una perturbación es una señal que tiende a afectar negativamente el

valor de la salida de un sistema. Si la perturbación se genera dentro del sistema se

denomina interna, en tanto una perturbación externa se produce fuera del sistema y es

una entrada.

Entonces un sistema de control se caracteriza por la presencia de una serie de elementos

(variables de control, perturbaciones) que permiten influir en el funcionamiento de un

sistema, y su finalidad es conseguir mediante la manipulación de las variables de

control, un dominio sobre las variables de salida.

Ejemplo de un sistema de control de temperatura.

La figura 2 muestra un diagrama esquemático del control de temperatura de un horno

eléctrico. La temperatura del horno eléctrico se mide mediante un termómetro, que es

un dispositivo analógico. La temperatura analógica se convierte a una temperatura

digital mediante un convertidor A/D. La temperatura digital se introduce a un

controlador mediante una interfase. Esta temperatura digital se compara con una

temperatura que se ingresa mediante un programa y si hay una discrepancia (error), el

controlador envía una señal al calefactor, a través de una interfase, un amplificador y un

relevador, para hacer que la temperatura del horno adquiera el valor deseado.

7

3.4. FÓRMULAS FUNDAMENTALES A UTILIZAR

Transferencia de calor:

Conducción:

𝒒𝒄 = 𝒌 ×𝑨 ×𝒅𝑻

𝒅𝒙 ( 1 )

Donde:

𝒒𝒄= calor transmitido por conducción.

𝒌 = conductividad térmica del material.

𝑨 = Área transversal por la que se transmite el calor. 𝒅𝑻

𝒅𝒙 = diferencial de temperaturas con respecto a la posición.

Figura 2. Sistema de control de temperatura de un horno eléctrico. [3]

8

Convección:

𝒒𝒉 = 𝒉 ×𝑨 × (𝑻𝒔 −𝑻𝜶) ( 2 )

Donde:

𝒒𝒉= calor transmitido por convección.

𝒉 = coeficiente convectivo del fluido.

𝑨 = Área de la superficie que está en contacto con el fluido.

𝑻𝒔= Temperatura de la superficie que está en contacto con el fluido.

𝑻𝜶= Temperatura del fluido.

Radiación:

𝒒𝒓 = 𝝈 × 𝜺 ×𝑨 × (𝑻𝒔𝟒−𝑻𝒂𝒍𝒓

𝟒 ) ( 3 )

Donde:

𝒒𝒓= calor transmitido por radiación.

𝝈 = constante de Stefan Boltzmann que equivale a 5,670400 × 10−8𝑊

𝑚2𝑘

𝜺 = emisividad térmica del material.

𝑨 = Área de transferencia de calor.

𝑻𝒔= temperatura superficial.

𝑻𝒂𝒍𝒓= temperatura de los alrededores.

Instrumentación y control:

Fórmula de ganancia de Mason:

9

𝒀(𝒔)

𝑹(𝒔)=

∑𝑷𝒌×∆𝒌

∆ ( 4 )

Donde: 𝒀(𝒔)= Señal de salida.

𝑹(𝒔)= Señal de entrada.

𝑷𝒌= Ganancia de camino directo.

∆=1 −∑𝑔𝑎𝑛𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑧𝑜 + ∑𝑐𝑜𝑚𝑏𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑙𝑎𝑧𝑜𝑠 𝑞𝑢𝑒 𝑛𝑜 𝑠𝑒 𝑡𝑜𝑐𝑎𝑛…

∆𝒌= se calcula igual al ∆ pero con lazos que no tocan el camino directo.

Forma canónica de la ecuación de transferencia de lazo cerrado para un sistema

de primer orden: 𝒀(𝒔)

𝑹(𝒔)=

𝟏

𝝉×𝑺+𝟏 ( 5 )



𝒌 = Ganancia.

𝝉 = Constante de tiempo 𝑺= Variable en el dominio de la transformada de Laplace

10

Forma canónica de la ecuación de transferencia de lazo cerrado para un sistema

de segundo orden:

𝒀(𝒔)

𝑹(𝒔)=

𝟏×𝝎𝒏𝟐

𝑺𝟐+𝟐××𝝎𝒏×𝑺+𝝎𝒏𝟐 ( 6 )



𝒌 = Ganancia.

𝝎𝒏= Frecuencia natural no amortiguada.

= Coeficiente de amortiguamiento. 𝑺 = Variable en el dominio de la transformada de Laplace.

11

4. ANÁLISIS DEL SISTEMA CONVENCIONAL Y REDISEÑADO.

4.1. ANÁLISIS DEL SISTEMA CONVENCIONAL

Para realizar el análisis de un sistema de calentamiento convencional se realizaron 6

pruebas en dos tipos de calentadores con diferentes características para saber el

comportamiento promedio de estos.

Calentador número 1

Tipo de gas: Natural

Potencia nominal: 23 kW

Capacidad nominal: 14 L/min

Presión mínima de agua: 0,2 bar

Presión máxima: 10 bar

Calentador número 2

Tipo de gas: Natural

Potencia nominal: 17,5 kW

Capacidad nominal: 12 L/min

Presión mínima de agua: 0,5 bar

Presión máxima: 10 bar

Instrumentos para las pruebas

Probeta graduada (ver anexo 1): se empleó para medir el volumen de

agua, el cual se utilizó para determinar el caudal.

12

Termómetro Fluke 50 Serie II (ver anexo 2): Se utilizó para tomar las

siguientes temperaturas:

- Temperatura inicial de la línea de agua fría y de agua caliente.

- Temperatura ambiente.

- Temperatura final sin graduar: temperatura máxima a la cual llego la

línea de agua caliente en el punto de obtención.

- Temperatura final graduada: temperatura a la cual el usuario indico

satisfacción.

Cronometro (ver anexo 3): Se usó para medir el tiempo, el cual se utilizó

para determinar el caudal.

Flexómetro (ver anexo 4): Se empleó para medir la distancia aproximada

entre el calentador y el punto de obtención del agua caliente.

Realización de las pruebas

Todas las pruebas realizadas se llevaron a cabo mediante el siguiente

procedimiento:

1. Se mide la temperatura ambiente con el fluke.

2. Se mide de la temperatura inicial de la línea de agua fría y agua caliente con

el fluke.

3. Se toman los datos técnicos del calentador:

- Tipo de gas

- Potencia nominal

- Capacidad nominal

- Presión mínima de agua

- Presión máxima

- Temperatura de salida del agua indicada por éste.

13

4. Se abre únicamente la línea de agua caliente a máximo caudal, y se toma el

tiempo que tarda en alcanzar su pico de temperatura (tiempo de obtención),

durante este proceso se monitorea constantemente la temperatura con el

fluke. (se considera que el agua alcanzó su máxima temperatura cuando esta

se estabiliza en un mismo valor por aproximadamente 15 segundos).

5. El usuario procede a realizar la graduación de la temperatura del agua,

regulando el flujo de agua caliente y agua fría, hasta que se alcanza una

temperatura confortable para él (esta se mide y se registra); se toma el

tiempo que se tarda en realizar esta operación (tiempo de graduación).

6. Se abre completamente la llave de agua caliente, estando completamente

cerrada la línea de agua fría y utilizando la probeta graduada se mide el

volumen y tiempo, para con estos calcular el caudal de dicha línea de agua.

(esta operación se realiza 5 veces)

7. Se abre completamente la llave de agua fría, estando completamente cerrada

la línea de agua caliente y utilizando la probeta graduada se mide el volumen

y tiempo, para con estos calcular el caudal de dicha línea de agua. (esta

operación se realiza 5 veces)

8. Con el flexómetro se realiza una medida aproximada de la distancia entre el

calentador de agua y el punto de obtención.

14

Los datos obtenidos durante la prueba son registrados en la siguiente tabla:

temperatura inicial fría

temperatura ambiente

Prueba numero:

Distancia calentador-ducha

[m]

Obtención Graduación

Temperatura indicada [°C] Temperatura indicada [°C]

Temperatura inicial [°C] Temperatura final [°C]

Temperatura final [°C]

Tiempo de Obtención [s] Tiempo de Graduación [s]

Caudal agua caliente caudal agua fría

medida N° Tiempo [s] Volumen [mL] medida N° Tiempo [s] Volumen [mL]

1 1

2 2

3 3

4 4

5 5

Especificaciones técnicas del calentador:

Tabla 1. Registro de valores obtenidos en las pruebas de un calentador convencional.

15

Cálculos

Una vez realizadas las pruebas a los diferentes calentadores y obtenidos los datos de la

Tabla 1, se procede a realizar los siguientes cálculos:

Tiempo de espera (TE):

𝑻𝑬 = 𝑻𝑶 +𝑻𝑮 ( 7 )

Donde:

TO= tiempo de obtención.

TG= tiempo de graduación.

Caudal de agua caliente y agua fría ( ):

∀=𝑽

𝒕 ( 8 )

Donde:

V = volumen.

t = tiempo.

Caudal promedio (∀𝒑𝒓𝒐𝒎 ): se promedian juntos todos los caudales obtenidos,

tanto los de agua caliente como los de agua fría.

Calculo desperdicio de agua (DA):

𝑫𝑨 = ∀𝒑𝒓𝒐𝒎 ∗ 𝑻𝑬 ( 9 )

Donde:

∀𝒑𝒓𝒐𝒎 = Caudal promedio.

TE = Tiempo de espera.

16

Con los resultados obtenidos de estos cálculos se llena la siguiente tabla:

Prueba #

Tiempo de espera [s]

Agua desperdiciada [L]

Caudal [L/s]

medición # Agua caliente Agua Fría

1

2

3

4

5

Promedio

Tabla 2. Resultados de los cálculos obtenidos de las

pruebas de un calentador convencional.

De los datos y cálculos realizados para el análisis de un sistema convencional de

calentamiento de agua de se obtuvo que:

Distancia máxima entre calentador y punto de obtención: 16 metros

Caudal promedio: 0,28 Litros por segundo

Promedio de desperdicio de agua: 38,9 litros

Para una información más detallada de todos los resultados obtenidos dirigirse al anexo 5.

Estas pruebas se realizaron en el mes de octubre, consultando con la empresa Aguas y

Aguas de Pereira, para éste mes la presión del acueducto en el sector de Álamos fue de

entre 20 psi y 25 psi.

17

4.2. ANÁLISIS DEL SISTEMA REDISEÑADO

El sistema rediseñado consta de 4 partes principales como se muestra en la Figura

3, las cuales se analizaran independientemente.

4.2.1. Consideraciones [4]

Este sistema es para el uso de las personas en los hogares, por ende se debe tener en

consideración la sensación de temperatura y dolor del cuerpo humano, ya que esta será la

encargada de establecer las franjas de temperatura que ofrecerá el sistema de calentamiento

de agua, con las cuales se trabajara.

Primero hay que definir que es un axón para poder tener un conocimiento de cómo es que

el cuerpo humano percibe la sensación de temperatura.

1 Calentador de agua

2 Cámara de mezcla

3 Controlador

4 Interfaz usuario-sistema

Figura 3. Esquema del Sistema Rediseñado

18

Axón: Es una proyección cilíndrica larga y fina que generalmente se une con el cuerpo

celular en una elevación cónica denominada cono axónico; se encarga de propagar los

impulsos nerviosos hacia otra neurona, una fibra muscular o una célula glandular. [5]

Conociendo esto ya puede proceder a conocer que las sensaciones de dolor y temperatura

están relacionadas, y a menudo agrupadas, debido a que están mediadas por conjuntos

solapados de receptores y son transportadas por el mismo tipo de fibras en el SNP (Sistema

Nervioso Periférico) y las mismas vías en el SNC (Sistema Nervioso Central).

La sensibilidad térmica se ha clasificado como la sensibilidad a calor, calor nocivo, frío, y

frío nocivo. Obsérvese que 43 °C y 15 °C son los límites aproximados por encima y por

debajo de los cuales, respectivamente, los estímulos térmicos se perciben como dolorosos.

Estas proteínas pertenecen a la familia de proteínas TRP (potencial receptor transitorio, en

inglés) y son en la actualidad los candidatos más probables como transductores de las

sensaciones térmicas.

Es importante destacar que muchos canales iónicos (y otras proteínas, p. ej., enzimas) son

sensibles a la temperatura; sin embargo, en el caso de los canales TRP la temperatura actúa

directamente en el mecanismo de apertura. Las temperaturas a las que los canales TRP

específicos son activos se indican mediante flechas en la Figura 4, en la que la dirección de

cada flecha indica qué temperaturas causan mayor activación.

19

A continuación en la Tabla 3 se enumeran los TRP que actúan como sensores de

temperatura, con sensibilidades térmicas diferentes que abarcan el rango de temperaturas

fisiológicamente relevantes.

Las cuatro letras en el nombre identifican la subfamilia y han sido según el primer miembro

identificado de la subfamilia: V, vaniloide; M, melastatina; A, similar a la ankirina. Cada

una de las proteínas enumeradas se expresa en por lo menos algunas células ganglionares

de la raíz dorsal, aunque también se expresan en otros tipos celulares.

Figura 4. Dependencia de la temperatura de las frecuencias de disparo en diferentes aferencias termosensibles. [4]

Tabla 3. Familia TRP de proteínas implicadas en transducción térmica.[4]

20

Basados en lo anterior se determinan dos cosas:

1. El sistema trabajara entre las temperaturas de 15°C y 43°C (límites aproximados

por debajo y por encima de los cuales, respectivamente, los estímulos térmicos se

perciben como dolorosos)

2. Basándose en la Tabla 3, cuando el cuerpo humano se encuentra entre el rango de

temperatura de 25°C a 42°C, éste percibe los cambios de temperatura en saltos de

3°C a 4°C.

4.2.2. Calentador de agua

Para este proyecto se necesitaba un calentador que proporcionara un suministro de agua a

temperatura constante, conociendo esto se indago en el mercado en busca de calentadores

que poseían esta característica y se seleccionó un calentador de agua marca HACEB

modelo CAL AS CPG-10TF GN DISP BL que según su manual [6], se encarga de

suministrar el agua a una temperatura constante gracias al sensor de temperara que posee, el

cual monitorea la temperatura de la salida de agua y transmite la información al

microcomputador y éste ajusta el ingreso del gas y el suministro de aire de acuerdo a la

configuración y la diferencia entre el ingreso y la salida de agua, en caso de no poder

utilizarse un calentador que mantenga un suministro de agua a temperatura constante, se

puede implementar una válvula termostática a la salida de éste, la cual se encargara de esta

tarea.

Las características se pueden apreciar en Tabla 4

21

4.3.

A partir de éste se realizarán los cálculos y la implementación del sistema de control.

(Para más información acerca del calentador CAL AS CPG-10TF GN DISP BL dirigirse al

anexo 6)

Hasta este punto es necesario determinar la temperatura a la que saldrá el agua del

calentador, para la realización de los cálculos se establecerá que dicha temperatura será de

45°C.

Tabla 4. Ficha técnica calentador Haceb – CAL AS CPG-10TF GN DISP BL [7]

22

4.3.1. Tubería

Es muy importante antes de continuar, determinar las pérdidas de calor que ocurrirán

durante el transporte del agua a través de la tubería para los trayectos Calentador-Cámara

de mezcla y Cámara de mezcla-Punto de obtención.

Para éste caso se eligió tubería de CPVC (Polivinilo Clorado) de ½” marca Durman código

SAP 2005691 la cual es utilizada en sistemas de calentamiento debido a que presenta muy

poca pérdida de calor, ya que el material del que está hecha posee una conductividad

térmica muy baja.

Especificaciones de la tubería CPVC Durman

a) Físicas

b) Dimensiones

Tabla 5. Características Físicas CPVC Durman [8]

Tabla 6. Dimensiones en sistema métrico Tubería CPVC Durman [8]

23

c) Propiedades Químicas y Físicas

Cálculo de pérdida de calor a través de la tubería

Se debe calcular cuánto es la perdida de calor por metro a través de la tubería de CPVC

Durman de ½”, para así determinar el delta de temperatura que habrá entre la salida de la

cámara de mezcla y el punto de obtención teniendo la longitud entre estos, ésta diferencia

de temperaturas se tendrá en cuenta a la hora de programar el controlador que se encargara

Tabla 7. Propiedades Químicas y Físicas CPVC Durman

24

de controlar la temperatura de salida de la cámara de mezcla, para que dependiendo de la

disminución que ocurra, se realice una corrección compensatoria.

Variables

Se establecieron las siguientes condiciones para la realización de los cálculos:

La presión del agua será la máxima que por catálogo permite el calentador CAL AS

CPG-10TF GN DISP BL la cual es de 1000 kPa. (Ver anexo 6)

Para la temperatura ambiente se tomara la de Pereira, la cual en promedio es 24°C.

La temperatura media de entrada del fluido y la temperatura superficial interna de

entrada de la tubería será de 45 °C, la cual será a la máxima temperatura que se

establecerá para que suministre el calentador.

Para el flujo de masa de agua se tomará el promedio ya calculado en el numeral 5.1.

“ANÁLISIS DEL SISTEMA CONVENCIONAL” que es de 0,28 L/s

Las dimensiones de la tubería son las correspondientes a la SAP 2005691 de la

“Tabla 6. Dimensiones en sistema métrico Tubería CPVC Durman [8]”

El valor del calor específico del agua (Cp) será tomado a la temperatura promedio.

Debido a que la tubería se encontrara en espacios cerrados, sin flujo de aire, se

considerará que la convección alrededor de ésta será libre, tomándose el menor

valor del coeficiente convectivo para esta situación 5 𝑊 𝑚2𝐾⁄ .

25

𝑃 = 1000 [𝑘𝑃𝑎] Presión

𝑘 = 0,13701649442 [𝑊

𝑚𝐾] Conductividad térmica CPVC

𝑇∝ = 24 [°𝐶] Temperatura ambiente

𝑇𝑠𝑖 = 45 [°𝐶] Temperatura superficial interna de la tubería a la

entrada

𝑇𝑚𝑖 = 45 [°𝐶] Temperatura media del agua a la entrada

= 0,28 [L/s] Flujo de masa de agua

𝐷𝑖𝑛𝑡 = 12,4 [𝑚𝑚] Diámetro interno de la tubería

𝐷𝑒𝑥𝑡 = 15,9 [𝑚𝑚] Diámetro externo de la tubería

ℎ = 5 [𝑊

𝑚2𝐾] Coeficiente convectivo del exterior de la tubería.

𝑅1 Radio interior de la tubería

𝑅2 Radio exterior de la tubería

L= 1 [m] Longitud de la tubería

Cp Calor especifico del agua

Qs Flujo de calor a través de la tubería

Tabla 8. Variables para el cálculo de pérdida de calor de la tubería CPVC

Ecuaciones

Se establecieron las siguientes condiciones para determinar las ecuaciones a utilizar:

Condiciones de estado estable

Flujo de calor uniforme

Cambios insignificantes de energía potencial, cinética y trabajo de flujo.

Propiedades constantes

Convección libre en los alrededores de la tubería

Flujo del agua en el interior de la tubería en estado totalmente desarrollado

Flujo de calor constante a través de la tubería

26

Temperatura promedio:

𝑇𝑃𝑟𝑜𝑚 =𝑇𝑚𝑖+𝑇𝑚𝑜

2 ( 10 )

Perímetro:

𝑃𝐸 = 𝜋 ∗ 𝐷𝑖𝑛𝑡 ( 11 )

Calor desde la pared interna de la tubería hasta el ambiente:

𝑄𝑒𝑥𝑡 =𝑇𝑠𝑖−𝑇∝

𝑙𝑛[𝑅2𝑅1]

2∗𝜋∗𝐿∗𝑘+

1

ℎ∗2∗𝜋∗𝐿∗𝑅2

( 12 )

Energía Generada:

𝑔 = 𝑄𝑒𝑥𝑡 ∗𝜋

4(𝐷𝑒𝑥𝑡

2 − 𝐷𝑖𝑛𝑡2 ) ∗ 𝐿 ( 13 )

Calor por convección:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝑄𝑠 ∗ 𝑃𝐸 ∗ 𝐿 ( 14 )

Flujo de calor a través de la tubería:

𝑄𝑠 =𝐸

𝜋∗𝐷𝑖𝑛𝑡 ∗𝐿 ( 15 )

Calor por convección:

𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 = ∗ 𝐶𝑝 ∗ (𝑇𝑚𝑖 −𝑇𝑚𝑜) ( 16 )

27

Delta de temperatura:

∆𝑇=𝑇𝑚𝑖 − 𝑇𝑚𝑜 ( 17 )

Calor total:

𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑄𝑒𝑥𝑡 + 𝐸 ( 18 )

Con ayuda del software EES, en el que se introdujeron las ecuaciones y variables para la

pérdida de calor a través de la tubería, se obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 5. Esquema Pérdida de calor a través de la tubería de CPVC

28

De los resultados obtenidos se puede observar que el delta de temperatura correspondiente

a un metro de tubería de CPVC es de 0,0006362 °C; como la caída de temperatura es muy

pequeña para un metro de tubería, se llevará a cabo otro análisis con las mismas

ecuaciones, pero esta vez se establecerá un delta de temperatura, y se calculará cuanta

longitud de la tubería es necesaria para que se de éste.

Este sistema va dirigido al uso doméstico, que a diferencia de los procesos industriales, las

temperaturas no tienen que ser estrictamente exactas, y como se había mencionado

anteriormente en el numeral 6.2.1 “Consideraciones”, el cuerpo humano detecta cambios de

temperatura en saltos de 3°C a 4°C, entonces se considerara pérdidas de temperatura

significativas a partir 3°C.

Redefiniendo variables, se tendrán las mismas de la Tabla 8, pero esta vez

∆𝑇=3, y se determinará el valor de L; introduciendo estas nuevas consideraciones con las

mismas ecuaciones en el EES, se tiene como resultado:

De los resultados obtenidos se observa que para que haya una caída de temperatura de 3 °C

es necesario tener una longitud de tubería de 68,68 m, siendo esta demasiado grande, ya

que a la hora de instalar un calentador se procura que la distancia entre éste y el punto de

obtención sea la mínima posible, los rangos normalmente no superan los 16 m, como se

determinó en el numeral 5.1. “ANÁLISIS DEL SISTEMA CONVENCIONAL”.

En conclusión, con lo obtenido se puede considerar despreciable la pérdida de calor a través

de la tubería.

29

4.3.2. Cámara de mezcla

La cámara de mezcla es de vital importancia para el rediseño de este sistema, ya que esta

será la encargada de proporcionarle al usuario el agua la temperatura deseada, gracias a la

combinación de agua fría y agua caliente, dicha combinación se llevará a cabo mediante la

regulación de los caudales de éstas a la entrada de la cámara de mezcla.

La cámara de mezcla será una tubería de CPVC en forma de Y, la cual tendrá una entrada

de agua caliente, una entrada de agua fría y una salida de agua a la temperatura deseada

como se muestra en la Figura 6.

Cálculos para la obtención del agua a la temperatura controlada

Como se había mencionado anteriormente para obtener el agua a temperatura controlada se

debe realizar una regulación de caudales de agua caliente y agua fría (regulación que

realizará el sistema de control), en éste proceso se debe conocer a cuánto correspondía el

caudal de cada una de las líneas, para que al mezclarse se obtenga el agua a la temperatura

controlada; apoyándose en el principio de la conservación de la masa y la primera ley de la

termodinámica se realizaron los siguientes cálculos.

Figura 6. Esquema Cámara de mezcla; Accesorio YEE en CPVC

30

Variables

Se establecieron las siguientes condiciones para la realización de los cálculos:

La presión de la cámara de mezcla será de 22,5 psi o 155,132 kPa (Presión

promedio del acueducto de Pereira en el sector de Alamos para el mes de octubre).

La temperatura de entrada en la línea de agua caliente será de 45 °C, la cual será a la

máxima temperatura que se establecerá para que suministre el calentador.

La temperatura de entrada en la línea de agua caliente será de 18 °C, temperatura

promedio del agua del sistema de acueducto en Pereira.

La temperatura a la salida de la cámara de mezcla se tomará de 32 °C solo para los

cálculos, ya que esta temperatura la elige el usuario.

Para el flujo de masa de agua se tomará el promedio ya calculado en el numeral 5.1.

“ANÁLISIS DEL SISTEMA CONVENCIONAL” que es de 0,28 L/s.

La entalpía del agua será hallada a la presión de la cámara de mezcla y la

temperatura correspondiente a la línea que corresponda.

𝑃 = 155,132 [𝑘𝑃𝑎] Presión

𝑇1 = 18 [°𝐶] Temperatura línea de agua fría

𝑇2 = 45 [°𝐶] Temperatura línea de agua caliente

𝑇3 = 32 [°𝐶] Temperatura de agua controlada

𝑚1 Flujo de masa de la línea de agua fría

𝑚2 Flujo de masa de la línea de agua caliente

𝑚3 = 0,28 [L/s] Flujo de masa de agua a la salida de la cámara de mezcla.

ℎ1 Entalpia del agua fría

ℎ2 Entalpia del agua caliente

ℎ3 Entalpia del agua regulada

31

Ecuaciones

Se establecieron las siguientes condiciones para determinar las ecuaciones a utilizar:

El principio de conservación de la masa para una cámara de mezcla requiere que la

suma de los flujos másicos entrantes sea igual al flujo de mezcla saliente.

La cámara de mezcla es de CPVC, por esto se despreciaran las pérdidas de calor y

se considerará adiabático.

Cambios insignificantes de energía potencial, cinética y trabajo de flujo.

Proceso de flujo estable.

No hay interacción de trabajo.

Balance de masa:

1 + 2 = 3 ( 19 )

Balance de energía:

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎⏟ = 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑎

𝑛𝑒𝑡𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑙𝑜𝑟 , 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑦 𝑚𝑎𝑠𝑎

𝑑𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎/ 𝑑𝑡⏞0(𝑒𝑠𝑡𝑎𝑏𝑙𝑒)

⏟ 𝑇𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎𝑠 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎,

𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎, 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 , 𝑒𝑡𝑐é𝑡𝑒𝑟𝑎

= 0

𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

1ℎ1 + 2ℎ2 = 3ℎ3 ( 20 )

32

Con ayuda del software EES, en el que se introdujeron las ecuaciones y variables para la

cámara de mezcla y se obtuvieron los siguientes resultados:

De los resultados obtenidos se puede observar que para obtener una temperatura regulada

de 32°C a un caudal de 0,28 L/s (0,28 kg/s), es necesario que el caudal de agua fría y

caliente sea de 0,1348 L/s y 0,1452 L/s respectivamente.

Utilizando la ecuación 19 y 20, el sistema de control se encargará de regular los caudales de

agua fría y caliente en función de la temperatura y el caudal requeridos por el usuario.

33

5. DISEÑO DEL SISTEMA

Para el diseño del nuevo sistema de calentamiento de agua doméstico, se utilizará todo lo

determinado y calculado en el Capítulo I, y se establecerán los criterios de seguridad, los

elementos adicionales que llevará, como lo son los sensores, las válvula, el controlador y la

interfaz usuario-sistema.

En un principio el sistema iba a constar de tres sensores de temperatura y tres sensores de

flujo ubicados en los puntos 2, 4 y 5, un controlador (1), una interfaz usuario-sistema (6),

una cámara de mezcla (3), la cual sería una “Y” de CPVC y dos válvulas motorizadas en

los puntos 2 y 4. (Los numerales mencionados en el párrafo anterior corresponden a la

ubicación del elemento mencionado en la Figura 7)

En éste primero, el usuario seleccionaría la temperatura en la interfaz y ésta sería enviada

al controlador, el cual se encargaría de recibir la información de los sensores de

temperatura y flujo, para así mediante el uso de las ecuaciones 19 y 20 (para esta ecuación

la entalpía sería definida por la temperatura y presión correspondiente) y tendiendo un

caudal de salida previamente establecido (desventaja para el sistema ya que el usuario

debería utilizar siempre un solo caudal establecido para bañarse), se calcularía que caudal

debería corresponder a cada línea, así el controlador enviaría la orden a las válvulas

motorizadas para abrirse o cerrarse según correspondiera, y los sensores de flujo

retroalimentarían el controlador constantemente, para que así éste realizara las correcciones

pertinentes en las válvulas motorizadas, para por último el usuario obtener un agua de

consumo a la temperatura deseada, pero no al caudal deseado, si no ya preestablecido.

El sistema anteriormente mencionado, cumplía con la necesidad del usuario de obtener el

agua a una temperatura deseada, pero traía consigo varias falencias como lo eran:

Caudal de consumo preestablecido, sin opción de variación por parte del usuario.

34

Tiempo de graduación considerable mientras el controlador posicionaba las válvulas

motorizadas en el punto correspondiente al caudal necesario.

Desperdicio de agua debido al tiempo de graduación.

Al haber tantos elementos variables en el sistema, éste sería propenso a sufrir

errores (entre más elementos, más errores, debido a la suma de errores propios con

que viene de fábrica cada uno)

Los costos de construcción serían elevados debido a los elementos que lo

componen.

Al observar la gran cantidad de falencias que poseería el sistema, se buscó y se optó por

otra alternativa para disminuirlas o eliminarlas, ésta posee menos elementos los cuales son:

Tres sensores de temperatura

Una válvula termostática, que a su vez es la cámara de mezcla

Una interfaz usuario-sistema

Un motor eléctrico

Un controlador

En el transcurso de este capítulo se explicará tanto el funcionamiento del nuevo sistema,

como cada elemento que lo compone.

Figura 7. Esquema del diseño del sistema

35

5.1. SENSORES DE TEMPERATURA

Estos se encargarán de medir la temperatura a la que se encuentra el agua en diferentes

puntos del sistema, para poder llevar un monitoreo y estar informado de cómo está

trabajando el sistema, los sensores de temperatura deberán estar ubicados en los puntos 2, 4

y 5 del sistema (ver Figura 7) y dicha señal llegará al controlador, para que éste permita

visualizarlo en los diales que se encuentran en la interfaz, a la hora de seleccionar el sensor

a utilizar, éste debe cumplir con un rango de medida de 10 a 60°C y una precisión: ± 1 °C.

Un sensor que cumple con dichas exigencias es la sonda de temperatura 80PR-60 RTD.

(Ver anexo 7)

Figura 8. Sonda de temperatura 80PR-60 RTD

36

5.2. INTERFAZ USUARIO-SISTEMA

Una parte muy importante es la interfaz entre el usuario y el sistema, porque es el medio de

comunicación que se encargara de enviar al controlador la temperatura seleccionada por el

usuario.

La interfaz será como se muestra en la Figura 9, constara de 1 franja de encendido/apagado,

tres displays de temperatura (Temp. A.F: temperatura de la línea de agua fría; Temp. A.C.

temperatura de la línea de agua caliente; Temp A.U: temperatura de agua controlada) y 7

franjas de selección, las cuales fueron determinadas teniendo en cuenta que:

El rango de temperatura de cada franja es de 3 °C, debido a que éste es en el cual el

ser humano percibe los cambios de temperatura.

La temperatura mínima estará determinada por las condiciones ambientales de la

línea de suministro de agua fría.

Figura 9. Interfaz Usuario - Sistema

37

La temperatura máxima será determinada por el calentador que se utilice, teniendo

en cuenta que si sobrepasa los 43°C se pueden presentar quemaduras en el usuario.

Para realizar la selección de la franja el usuario debe presionar el botón negro que se

encuentra al lado izquierdo de la misma, un bombillo led verde se encenderá en la parte

derecha de la franja activa.

5.3. VÁLVULA

La válvula será la encargada de regular los flujos de agua de la línea de agua caliente y fría,

para así, en conjunto con el controlador lograr la temperatura deseada por el usuario. La

válvula será a la vez la cámara de mezcla que se encuentra ubicada en el punto 3 del

sistema (ver Figura 7).

En este sistema se utilizará una válvula termostática, la cual se encarga de controlar el flujo

de agua de ambas líneas, logrando mantener constante la temperatura establecida, y todo de

manera mecánica

Ésta consta en su interior básicamente de un filtro, un cilindro perforado, y un termostato;

Su funcionamiento es sencillo, como se muestra en la Figura 10.

Figura 10. Partes de una válvula termostática.

38

Primero establece la temperatura deseada por el usuario en el mando de regulación del

termostato, una vez realizado esto la válvula automáticamente se encargará de mantener la

temperatura constante, debido a que si ocurre una mínima variación de temperatura, el

termostato reacciona expandiéndose y contrayéndose, al ocurrir esto el área de entrada de

agua fría varía, conllevando a que el flujo de ésta aumente o disminuya según sea el caso, o

si ocurre una caída en la presión de alguna de las líneas de agua, esta misma diferencia de

presión se encargará de mover el cilindro perforado que va al interior del filtro,

restringiendo el paso de agua de la línea con mayor presión, y a su vez aumentando el de la

otra.

Por último el usuario procede a regular el caudal de agua que desea recibir en la ducha a la

temperatura ya regulada.

El movimiento circular del mando de regulación es proporcional al movimiento lineal del

termostato, es decir que el comportamiento del giro del mando contra el desplazamiento del

termostato es lineal, pudiéndose establecer que:

Se tiene:

- Un mando de regulación con un rango de giro entre 0° y 300°

- Un termostato que se puede regular entre 15°C y 50°C

- Comportamiento lineal de Giro del mando vs movimiento del termostato

(se puede utilizar una interpolación lineal)

- Franjas de selección de temperatura del interfaz usuario-sistema.

39

Se obtiene:

Correspondencia en Grados del giro del mando para cada franja de

selección de la interfaz *

Grados [°] Franja [°C]

17 Min – 18

51 19 – 22

85 23 – 26

120 27 – 30

154 31 – 34

188 35 – 38

214 39 – Máx.

Tabla 9. Correspondencia en grados del giro del mando

* A la hora de realizar la interpolación se tomó un grado menos al máximo de cada franja y se toma el

resultado sin decimales.

Se recomienda la válvula mezcladora termostática T975 – ½” B de la marca WATTS

INDUSTRIES. (ver anexo 8)

Figura 11. Válvula mezcladora

termostática T975 – ½” B marca WATTS

40

5.4. MOTOR

En este sistema se empelará un motor, el cual ira acoplado al mando de regulación de la

válvula termostática y se encargara de moverlo según como se lo indique el controlador.

Se empleara un servomotor ya que éste posee la capacidad de ubicarse en cualquier

posición dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición.

Se recomienda el servomotor Futaba S3150 Slim Digital Servo. (Anexo 9)

Figura 12. Servomotor Futaba S3150 Slim Digital

Servo

41

5.5. ACOPLADOR SERVOMOTOR-VÁLVULA TERMOESTÁTICA

El acople entre el servomotor se puede realizar de la manera que se considere más

apropiada, puede realizarse un acople de polietileno, el acople dependerá de la válvula

termostática elegida y del servomotor, para los recomendados anteriormente se tiene el

siguiente acople:

Figura 13. Acoplador

Figura 14. Planos Acoplador

42

5.6. SEGURIDAD

Debido a que en este proyecto se ve involucrado el usuario con el agua y partes eléctricas,

se debe establecer los criterios de seguridad eléctrica que debe cumplir el diseño, parte

fundamental será la estanqueidad e impermeabilidad, por ende se debe establecer el grado

de protección IP, el cual consta de dos dígitos numéricos, el primero indica el nivel de

protección contra el ingreso de objetos sólidos y el segundo el nivel de protección contra el

ingreso de agua y su clasificación se hace de acuerdo a la Tabla 10 de cada elemento

electrónico.

Cuerpos sólidos Agua

0 No está protegido contra el ingreso de

cuerpos extraños

0 Sin protección

1 Protegido contra el ingreso de cuerpos

extraños mayores a 50 mm de diámetro

1 Protección contra el goteo de agua

condensada


extraños mayores a 12.5 mm de diámetro

2 Protección contra el goteo a una inclinación

de hasta 15° con respecto a la vertical


extraños mayores a 2.5 mm de diámetro

3 Protección contra lluvia con un Angulo

inferior a 60°


extraños mayores a 1 mm de diámetro

4 Protección contra salpicaduras de agua en

cualquier dirección

5 Protegido contra el depósito de polvo (la

entrada de polvo no puede evitarse, pero la

cantidad que entra no interfiere con el

correcto funcionamiento del equipamiento)

5 Protección contra agua proyectada en

chorros de cualquier dirección

6 Protegido contra el ingreso de polvo 6 Protección contra agua proyectada en

potentes chorros desde cualquier dirección

7 Protegida contra la inmersión temporal en

agua entre 15 cm y 1 m durante 30 min.

8 Protegido contra la inmersión continua en

agua más allá de 1 m.

Tabla 10. Grados de protección IP

43

En base a la Tabla 10 se determina que los grados de protección de los diferentes

elementos del sistema serán:

Interfaz usuario-sistema: IP 66; debido al contacto directo de éste con el usuario y

la ducha

Controlador: IP 55; debido a que no hay contacto directo de éste con el usuario y

la ducha.

Motor: Se recomienda una protección IP de 65, aunque puede ser menor debido a

que el motor no tendrá contacto directo con el usuario ni el agua.

5.7. CONTROL DEL SISTEMA

Para comenzar con el control primero se debe conocer el funcionamiento, el cual comienza

cuando el usuario selecciona una de las opciones de temperatura que ofrece la interfaz, esta

selección llega al controlador, el cual se encarga de enviarle la orden al motor de cuantos

grados debe hacer rotar el mando de regulación del termostato de la válvula termostática

según la Tabla 9, una vez regulada ésta, el usuario ya puede proceder a abrir el grifo de la

ducha y obteniendo el agua de consumo a la temperatura deseada.

CO

NT

RO

LA

DO

R

Voltaje

SE

RV

OM

OT

OR

Desplazamiento lineal

TE

RM

OS

TA

TO

1

2

3

4

5

6

7

8

Desplazamiento angular

AC

OP

LA

DO

R

44

Como se puede observar en el anterior esquema, el controlador tiene 8 entradas, de las

cuales de la 1 a la 7 corresponden respectivamente a cada franja de temperatura que el

usuario puede seleccionar, y la 8 corresponde a la señal on/off, una vez llega la señal al

controlador de este sale otra en forma de voltaje al servomotor, indicándole cuanto debe

rotar, el cual por medio del acoplador se une al mando de regulación, quedando así

establecida la temperatura en la válvula termostática.

5.7.1. Diagrama Grafcet del sistema

Elementos del sistema de calentamiento de agua controlado

Actuadores Captadores

LO: Luz LED de encendido F-T1: Pulsador Franja 1 de temperatura

L1: Luz LED Franja 1 de temperatura F-T2: Pulsador Franja 2 de temperatura






L7: Luz LED Franja 7 de temperatura BO: Pulsador de On/Off

Tabla 11. Elementos del sistema Diagrama Grafcet

Figura 15. Diagrama Grafcet del Sistema

45

Se tiene un estado inicial 0 en el cual están apagas todas las luces led, el servomotor se

encuentra en la posición de 0° y todas las entradas de señales al controlador se estarán

abiertas, al encender el sistema pulsando el botón On/Off de la interfaz se activa la etapa

inicial 1 en la cual, el servomotor se encuentra en la posición de 0°, la luz de On/Off se

encuentra encendida (LO), y todas las entradas de señales correspondientes a cada franja

que llegan controlador se encuentran abiertas, si el usuario activa el pulsador de la franja de

temperatura 1, F-T1 (teniendo la opción de elegir entre los pulsadores F-T1, F-T2, F-T3, F-

T4, F-T5, F-T6, F-T7) , la entrada correspondiente a dicha franja se cerrará, permaneciendo

las demás abiertas, y se activa la etapa 2 (dependiendo del pulsador seleccionado se

activarán las diferentes etapas correspondientes), en la cual el servomotor girara 17° y la

luz led L1 se encenderá ( cada vez que se active una etapa ocurrirá lo mismo, pero con su

correspondencia ósea a cada etapa le corresponde una luz led L2, L3, etc… y un giro del

servomotor según la Tabla 9. Correspondencia en grados del giro del mando”, es decir,

para la etapa 3 en la cual se seleccionó la franja 2, corresponde un giro del servomotor de

51°; para la etapa 4 en la cual se seleccionó la franja 3, corresponde un giro del servomotor

de 85° y así sucesivamente) o si por el contrario el usuario pulsa el botón On/Off, se

regresara a las condiciones de la etapa 0; si por el contrario el usuario decide cambiar la

franja de temperatura oprimiendo alguno de los pulsadores correspondientes a las franjas de

temperatura, se regresara a la condición 1 donde estarán apagadas todas las luces led a

excepción de la luz de On/Off (LO), se abrirán de nuevo todas las entradas y el servomotor

regresara a la posición inicial de 0°, para así comenzar de nuevo con la nueva selección de

franja de temperatura.

46

5.7.2. Controlador

Para realizar el control del sistema se empleará un Arduino, el cual se encargará de

ordenarle al servomotor moverse la cantidad de grados como sea necesario, a la hora de

seleccionar el tablero Arduino a emplear se debe tener en cuenta que debe poseer mínimo 8

entradas digitales y una salida.

Se recomienda el Arduino Due R3. Ver anexo 10

La programación del Arduino para hacer girar el servomotor es bastante sencilla mediante

el software Arduino, bajo la librería Servo, la programación para este sistema puede ser la

siguiente:

1. #include <Servo.h>

2. Servo servo; 3. void setup() 4. 5. //Definicion del pin al que ira conectado el servo 6. servo.attach(9); 7. //Definicion de señales de entrada 8. int direccion1=1; 9. int direccion2=2; 10. int direccion3=3; 11. int direccion4=4; 12. int direccion5=5; 13. int direccion6=6; 14. int direccion7=7; 15. int direccion8=8; 16. //se lleva el servo a la posición inicial 0°

17. servo.write(0); // coloca el servo en su posición incial 18.

Figura 16. Arduino Due R3

47

19. void loop() 20. //vinculamos los pines a cada señal 21. pinMode(direccion1, INPUT); 22. pinMode(direccion2, INPUT); 23. pinMode(direccion3, INPUT); 24. pinMode(direccion4, INPUT); 25. pinMode(direccion5, INPUT); 26. pinMode(direccion6, INPUT); 27. pinMode(direccion7, INPUT); 28. pinMode(direccion8, INPUT); 29. //procedemos a mover el servo según la señal enviada y se obtendrá un giro de

este 30. //para la primera franja se selecciona la dirección 1 y corresponden 17° 31. if(digitalRead(direccion1) 32. servo.write(17); 33. //para la segunda franja se selecciona la dirección 2 y corresponden 51° 34. if(digitalRead(direccion1) 35. servo.write(51); 36. //para la tercera franja se selecciona la dirección 3 y corresponden 85° 37. if(digitalRead(direccion1) 38. servo.write(85); 39. //para la cuarta franja se selecciona la dirección 4 y corresponden 120° 40. if(digitalRead(direccion1) 41. servo.write(120); 42. //para la quinta franja se selecciona la dirección 5 y corresponden 154° 43. if(digitalRead(direccion1) 44. servo.write(154); 45. //para la sexta franja se selecciona la dirección 6 y corresponden 188° 46. if(digitalRead(direccion1) 47. servo.write(188); 48. //para la septima franja se selecciona la dirección 7 y corresponden 214° 49. if(digitalRead(direccion1) 50. servo.write(51); 51. //para el botón de on/off se selecciona la dirección 8 y se pososiona en 0° 52. if(digitalRead(direccion1) 53. servo.write(0);

48

6. CONCLUSIONES

A partir de todo lo realizado en este proyecto se puede concluir que:

Se logró rediseñar un sistema de calentamiento de agua domestico usando un

calentador de paso a gas que redujo el tiempo de espera (el cual consiste en la suma

del tiempo de obtención y el tiempo de graduación) del usuario para la obtención

del agua caliente a una temperatura deseada estable, lográndose esto mediante la

implementación de tubería de material aislante como lo es el CPVC (disminuyendo

el tiempo de obtención) y una válvula termostática la cual realiza la mezcla de agua

fría y caliente de manera adecuada y casi instantánea, encargándose de

prácticamente anular el tiempo de graduación.

Se implementó un sistema de control al rediseño, que constó de un controlador, una

interfaz usuario-sistema y un servomotor, los cuales en conjunto con la válvula

termostática se encargaron de realizar toda la tarea de graduación de caudales de

agua fría y caliente para obtener la temperatura deseada por el usuario, teniendo

éste, la posibilidad de seleccionar entre un conjunto de 7 opciones de temperaturas

(cada opción esta en intervalos de 3°C), haciendo bastante sencilla la tarea de

programación de temperatura para el usuario.

Se determinó mediante las pruebas realizadas a los sistemas convencionales de

calentamiento de agua, que en promedio una persona desperdicia 39 litros de agua

antes de lograr una temperatura ideal para ducharse.

Se determinó que a la hora de selección de temperaturas de agua para el uso del

usuario, estas no necesariamente deben ser exactas, pueden ir en rangos de 3 a 4 °C

ya que estos son los deltas de temperatura en los que el ser humano detecta los

cambios de temperatura.

49

7. RECOMENDACIONES

De acuerdo al proceso desarrollado durante la realización de este proyecto, se proponen las

siguientes recomendaciones:

A la hora de implementar un sistema de agua caliente en una casa, se recomienda

utilizar tubería de material adecuado, como lo es el CPVC, ya que evita la mayor

parte de las pérdidas de calor, y disminuye el tiempo de obtención del agua caliente

desde el calentador hasta el punto de obtención.

Se recomienda realizar un análisis completo de una válvula termostática, como los

fenómenos que intervienen en su funcionamiento y determinar si hay alguna manera

de mejorarla.

Se recomienda que las temperaturas del agua de consumo del usuario se encuentren

en el rango de los 15 y 43 °C ya que por fuera de estos límites el cuerpo humano

comienza a sentir los estímulos térmicos como dolorosos.

Se recomienda la implementación de este rediseño, o de alguno similar, debido a

que así se ayuda al medio ambiente, mediante la disminución del desperdicio de

agua que generan los sistemas convencionales.

50

8. BIBLIOGRAFÍA

[1] “Diseño construcción y pruebas de un calentador solar de agua para consumo doméstico

operado por termosifón” Oscar Julián Sabogal - #180, Inventario, tesis, centro de

documentación, facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Pereira.

[2] INCROPERA, Frank P. DeWITT, David. Fundamentos de transferencia de calor.

Prentice Hall. Cuarta edición. 1999.

[3] http://portal.tc.com.co/tecnicontrol/confiabilidad-operacional/instrumentacion-y-control

[4] http://calidad.surtigas.com.co/kwk_v3/files/Externos/NTC3643.pdf

[5] KATSUSHIKO OGATA. Dinámica de Sistemas. Primera edición, Prentice-Hall

Hispanoamericana. S.A. 1987.

[6] KATSUSHIKO OGATA. Ingeniería de Control Moderna. Tercera edición, Prentice-

Hall Hispanoamericana. S.A. 1998.

[7] BENJAMIN C. KUO. Sistema de Control Automático. Séptima edición, Prentice-Hall

Hispanoamericana. S.A. 1996.

[8] VAN WYLEN. Gordon. Claus Borgnakke and Richard Sonntag. Fundamentals of

Thermodynamics. Fifth edition. USA: John Wiley & Sons. Inc. 1998.

[9] KREITH, Frank. Principios de transferencia de calor. International Textbook company.

[10] HOLMAN, J.P. Transferencia de Calor. Me. Graw-Hill. Octava edición. New York.

1998.

[11] CREUS SOLE. Antonio. Instrumentación Industrial. Tercera edición. Bacelona –

Mexico. 1985.

51

9. ANEXOS

52

Anexo 1. Probeta graduada utilizada en las pruebas de sistemas convencionales de

calentadores

Probeta Graduada

Temperatura de

trabajo Capacidad Resolución

Hasta 121 °C 2000 ml 20 ml

53

Anexo 2. Termómetro fluke tipo K utilizado en las pruebas de sistemas convencionales

de calentadores

Anexo 3. Cronometro digital utilizado en las pruebas de sistemas convencionales de

calentadores

Cronometro Ultrachron Lite

Resolución

0,01 segundos

Termómetro Fluke 50 Serie II – termopar tipo K

Rango de temperatura Precisión Resolución

-200°C a 1372 °C ±[0,05% + 0.3 °C] 0,1°C

54

Anexo 4. Flexometro utilizado en las pruebas de sistemas convencionales de

calentadores

Flexómetro Stanley

Resolución Máxima extensión

1 mm 5 m

55

Anexo 5. Resultados Pruebas realizadas a sistemas convencionales de calentamiento

de agua de paso a gas.

temperatura inicial fría 20,5

temperatura ambiente 25,3 Prueba numero: 1 Distancia calentador-ducha [m] 10


Temperatura indicada [°C] 42 Temperatura indicada [°C] 42

Temperatura inicial [°C] 24,2 Temperatura final [°C] 34

Temperatura final [°C] 34

Tiempo de Obtención [s] 113,12 Tiempo de Graduación [s] 0



1 9,41 1800 1 3,93 1540 2 9,36 1620 2 4,53 1580

3 8,45 1440 3 5,11 1740

4 9,16 1620 4 5,58 1840 5 7,83 1360 5 5,1 1680

Especificaciones técnicas del calentador: tipo de gas: natural

presión de suministro: 20 mbar Potencia nominal: 82,8 MJ/h

Potencia útil nominal:72 MJ/h capacidad nominal 14 L/min

Presión mínima de agua:2,9 psi Presión máxima de agua:145 psi

Prueba 1 Tiempo de espera [s] 113,12

Agua desperdiciada [L] 29,70120429 Caudal [L/s] Caudal [kg/s]

medición # Agua caliente Agua Fría Agua caliente Agua Fría

1 0,191285866 0,391857506 0,191285866 0,391857506

2 0,173076923 0,348785872 0,173076923 0,348785872 3 0,170414201 0,340508806 0,170414201 0,340508806

4 0,176855895 0,329749104 0,176855895 0,329749104

5 0,173690932 0,329411765 0,173690932 0,329411765 Promedio 0,262563687 0,262563687

56


temperatura ambiente 25,7 Prueba numero: 2 Distancia calentador-ducha [m] 3,5

Obtención Graduación Temperatura indicada

[°C] 42 Temperatura indicada [°C] 42

Temperatura inicial [°C] 24 Temperatura final [°C] 33,7

Temperatura final [°C] 33,7

Tiempo de Obtención [s] 74,12 Tiempo de Graduación [s] 0 Caudal agua caliente caudal agua fría


1 9,31 1580 1 5,2 1460

2 10,06 1700 2 6,13 1720

3 10,13 1680 3 5,15 1620

4 9,78 1700 4 6,31 1820

5 9,51 1600 5 6,31 1820 Especificaciones técnicas del calentador:

tipo de gas: natural presión de suministro: 20 mbar

Potencia nominal: 82,8 MJ/h Potencia útil nominal:72 MJ/h capacidad nominal 14 L/min

Presión mínima de agua:2,9 psi Presión máxima de agua:145 psi

Prueba 2

Tiempo de espera [s] 74,12 Agua desperdiciada [L] 17,0430781

Caudal [L/s] Caudal [kg/s] medición #

Agua caliente Agua Fría


1 0,16970999 0,28076923 0,16970999 0,28076923

2 0,16898608 0,28058728 0,16898608 0,28058728

3 0,16584403 0,31456311 0,16584403 0,31456311

4 0,17382413 0,28843106 0,17382413 0,28843106

5 0,16824395 0,28843106 0,16824395 0,28843106 Promedio 0,229938992 0,229938992

57


temperatura ambiente 25,1

Prueba numero: 3 Distancia calentador-ducha [m] 8,5


Temperatura indicada [°C] 42 Temperatura indicada [°C] 42

Temperatura inicial [°C] 23,5 Temperatura final [°C] 34,2


Tiempo de Obtención [s] 90,92 Tiempo de Graduación [s] 0


medida N° Tiempo [s] Volumen [mL] medida N° Tiempo [s] Volumen [mL] 1 8,11 1400 1 3,81 1260

2 7,13 1140 2 5,83 1420

3 6,38 1120 3 6,15 1520

4 7,85 1260 4 6,06 1560

5 8,5 1420 5 5,9 1460 Especificaciones técnicas del calentador:

tipo de gas: natural presión de suministro: 20 mbar

Potencia nominal: 82,8 MJ/h Potencia útil nominal:72 MJ/h

capacidad nominal 14 L/min Presión mínima de agua:2,9 psi Presión máxima de agua:145 psi




1 0,172626387 0,330708661 0,172626387 0,330708661 2 0,159887798 0,243567753 0,159887798 0,243567753

3 0,175548589 0,247154472 0,175548589 0,247154472

4 0,160509554 0,257425743 0,160509554 0,257425743

5 0,167058824 0,247457627 0,167058824 0,247457627

Promedio 0,216194541 0,216194541

58

temperatura inicial fría 23,3 temperatura ambiente 26

Prueba numero: 4 Distancia calentador-ducha [m] 15





Tiempo de Obtención [s] 112,66 Tiempo de Graduación [s] 33,6



1 5,35 1220 1 5,34 1540

2 6,44 1460 2 4,18 1520

3 6,05 1380 3 4,3 1520

4 6,24 1360 4 3,99 1460 5 7,12 1580 5 3,93 1440


Potencia Nominal: 17,5 kW Capacidad nominal: 12 L/min

Presión mínima de agua: 0,5 bar Presión máxima de agua: 10 bar



medición #



1 0,22803738 0,28838951 0,22803738 0,28838951 2 0,22670807 0,36363636 0,22670807 0,36363636

3 0,22809917 0,35348837 0,22809917 0,35348837

4 0,21794872 0,36591479 0,21794872 0,36591479 5 0,22191011 0,36641221 0,22191011 0,36641221

Promedio 0,286054471 0,286054471

59

temperatura inicial fría 23,3 temperatura ambiente 24,9

Prueba numero: 5 Distancia calentador-ducha [m] 10








1 5,5 1420 1 3,29 1520

2 5,48 1420 2 3,09 1400

3 6,37 1660 3 3,62 1580

4 6,25 1580 4 3,36 1560 5 5,06 1300 5 2,99 1400


Potencia Nominal: 17,5 kW Capacidad nominal: 12 L/min

Presión mínima de agua: 0,5 bar Presión máxima de agua: 10 bar




1 0,258181818 0,462006079 0,258181818 0,462006079

2 0,259124088 0,453074434 0,259124088 0,453074434

3 0,260596546 0,436464088 0,260596546 0,436464088

4 0,2528 0,464285714 0,2528 0,464285714

5 0,256916996 0,468227425 0,256916996 0,468227425

Promedio 0,357167719 0,357167719

60

temperatura inicial fría 24 temperatura ambiente 23,9

Prueba numero: 6 Distancia calentador-ducha

[m] 16







medida N° Tiempo [s] Volumen [mL] medida N° Tiempo [s] Volumen [mL] 1 5,36 1260 1 3,62 1660

2 6,48 1560 2 4,23 1680

3 6,23 1440 3 3,62 1600 4 6,81 1660 4 4,29 1720

5 6,36 1520 5 4 1560 Especificaciones técnicas del calentador:

tipo de gas: natural Potencia Nominal: 17,5 kW

Capacidad nominal: 12 L/min Presión mínima de agua: 0,5 bar Presión máxima de agua: 10 bar


Agua desperdiciada [L] 90,4432829

Caudal [L/s] Caudal [kg/s] medición #



1 0,23507463 0,45856354 0,23507463 0,45856354

2 0,24074074 0,39716312 0,24074074 0,39716312

3 0,23113965 0,44198895 0,23113965 0,44198895

4 0,24375918 0,4009324 0,24375918 0,4009324

5 0,23899371 0,39 0,23899371 0,39

Promedio 0,327835591 0,327835591

Promedio total caudales [L/s] 0,279959167 Promedio de desperdicio de agua 38,89209505

61

Anexo 6. Manual de instrucciones y especificaciones del calentador de paso a gas CAL

AS CPG-10TF GN DISP BL. (Ver archivo “CAL AS CPG-10TF GN DISP BL” de la

carpeta “Anexos” que se encuentra en el CD)

62

Anexo 7. Sensor de temperatura recomendado para el monitoreo del sistema

rediseñado

Sonda de temperatura 80PR-60 RTD

Marca: Fluke

Especificaciones:

Tipo de sonda: RTD (sensor de termorresistencia)

Material de la sonda: platino 1 kΩ

Rango de temperaturas: -40 a 260 °C

Precisión: ± 1 °C

Conector: tipo teléfono de 3,5 mm

Diámetro de la sonda: 4,8 mm

Longitud de la sonda: 90 mm

Longitud del cable (extendido): 1000 mm

Para su utilización con el Fluke 66 y Fluke 68

63

Anexo 8. Ficha técnica de la válvula termostática T9715 marca WATTS recomendada

para el rediseño del sistema (Ver archivo “Ficha técnica Válvula termostática” de la

carpeta “Anexos” que se encuentra en el CD)

64

Anexo 9. Servomotor recomendado para el rediseño del sistema

Servomotor Futaba S3150 Slim Digital Servo

65

Anexo 10. Controlador recomendado para el rediseño del sistema.

andrÉs camilo rodrÍguez rendÓn - core › download › pdf › 71399359.pdf · andrÉs camilo...

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